Dopamina i interfejs mózg-komputer (BCI_LDOPA)

Celem niniejszego projektu badawczego jest ocena wpływu modulacji dopaminergicznej na wydajność BCI u zdrowych osób w podeszłym wieku, aby zrozumieć leżące u podstaw mechanizmy neurofizjologiczne. Perspektywa leży w zastosowaniu tego podejścia do poprawy regeneracji motorycznej po udarze.

Udar mózgu jest jedną z najczęstszych przyczyn upośledzenia funkcji motorycznych, a oczekuje się, że jego częstość występowania będzie wzrastać w związku ze starzeniem się społeczeństwa. Osoby po udarze często doświadczają pewnego poziomu samoistnej poprawy funkcji motorycznych w ostrej fazie i osiągają plateau funkcjonalne, po którym powrót do zdrowia jest na ogół powolny lub stagnacyjny. Co ciekawe, pojawiają się dowody wskazujące, że terapie oparte na interfejsie mózg-komputer (BCI) mogą wywołać powrót do zdrowia po osiągnięciu plateau.

Farmakologiczny MRI (phMRI) to nowa i obiecująca metoda badania wpływu substancji na funkcjonowanie mózgu, która ostatecznie może zostać wykorzystana do rozwikłania leżących u podstaw neurobiologicznych mechanizmów leżących u podstaw działania leków. Podobnie jak większość metod obrazowania, stanowi ona postęp w badaniu chorób mózgu i związanej z nimi funkcji szlaków neuroprzekaźników w sposób nieinwazyjny z uwzględnieniem ogólnej łączności neuronalnej.

Co więcej, stanowi idealne narzędzie do przełożenia na badania kliniczne. MRI, choć wciąż pozostaje w tyle pod względem strategii obrazowania molekularnego w porównaniu z PET i SPECT, ma tę zaletę, że ma wysoką rozdzielczość przestrzenną i nie wymaga wstrzykiwania środka kontrastowego lub cząsteczek znakowanych radioaktywnie, co pozwala uniknąć powtarzającego się narażenia na promieniowanie jonizujące. Funkcjonalny MRI (fMRI) jest szeroko stosowany w badaniach i warunkach klinicznych, gdzie zazwyczaj łączy się go z zadaniem psychomotorycznym. phMRI to adaptacja fMRI umożliwiająca badanie określonego układu neuroprzekaźników, takiego jak dopamina, w warunkach fizjologicznych lub patologicznych po aktywacji poprzez podanie określonego leku stanowiącego wyzwanie.

Znaczenie neuroprzekaźnika dopaminy (DA) dla procesów motorycznych jest znane od dawna. Wiadomo, że u pacjentów cierpiących na chorobę Parkinsona niedobór dopaminy w zwojach podstawy mózgu powoduje silne deficyty związane z ruchem.

Ostatnie badania sugerują, że DA stymuluje struktury neuronalne, które z kolei wpływają na rozległe obszary mózgu, a tym samym przyczynia się do różnych procesów kontroli behawioralnej: zarówno procesów motorycznych kontroli ruchu, jak i procesów poznawczych w kontekście kategoryzacji percepcyjnej, nagrody, motywacji i kontroli wykonawczej . Z tego powodu DA nazywany jest także „sygnałem nauczania”.

Pojawiają się dowody na to, że DA może być skuteczne także w opracowywaniu nowych strategii rehabilitacji po udarze. Aby strategia rehabilitacji była skuteczna, powinna skutkować utworzeniem nowych wspomnień motorycznych, w czym anatomicznie pośredniczą sieci łączące grzbietowo-boczną korę przedczołową, pierwotną korę ruchową, prążkowie i móżdżek. Nowe wspomnienia motoryczne powstają i są oczyszczane w procesach plastyczności synaptycznej, takich jak LTP i LTD, które wymagają sygnalizacji dopaminergicznej między istotą czarną pars Compacta a średnimi neuronami kolczystymi prążkowia w skorupie. W pętlach motorycznych zwojów podstawy mózgu wiązanie dopaminergiczne z receptorami D1R ułatwia pożądane ruchy, podczas gdy wiązanie z receptorami D2R hamuje niepożądane ruchy.

Oprócz swojej roli w napędzie motorycznym w zwojach podstawy, układ dopaminergiczny wzmacnia także integrację wzrokowo-ruchową, czyli koordynację informacji percepcyjnych i związanych z działaniem. Na poziomie receptorów receptory D1R odgrywają kluczową rolę w prawidłowej integracji wzrokowo-ruchowej. System ten jest ważny dla powiązania wizualizowanych informacji środowiskowych z pozycją ciała, umożliwiając w ten sposób optymalne planowanie i korygowanie ruchu. Dlatego wzmocnienie koordynacji napędu motorycznego i integracji wzrokowo-ruchowej poprzez terapię dopaminergiczną może przyspieszyć powrót do zdrowia po udarze.

Wykazano, że leki zwiększające dostępność neuroprzekaźników ośrodkowego układu nerwowego (dopamina, noradrenalina, serotonina i acetylocholina) wywierają działanie ułatwiające neuroplastyczność. Mając to na uwadze, badacze zbadali wpływ amfetaminy, selektywnych inhibitorów wychwytu zwrotnego serotoniny, madepezilu, środków psychostymulujących, takich jak metylofenidat, i środków dopaminergicznych na powrót do zdrowia motorycznego po udarze. Spośród wyżej wymienionych leków wykazano, że tylko lewodopa zwiększa indukcję plastyczności podobnej do LTP, plastyczności zależnej od praktyki i regenerację motoryczną po udarze u ludzi. Ponadto lewodopa ma bezpieczny profil działań niepożądanych i nie jest substancją kontrolowaną.

Najczęstszym działaniem niepożądanym lewodopy są dyskinezy, po których następują nudności, halucynacje i zawroty głowy. Istnieje również pewne ryzyko dyskinez wywołanych lewodopą u pacjentów z chorobą Parkinsona. Jednakże te poważne skutki uboczne na ogół pojawiają się po długotrwałym (tj. latach) przyjmowaniu leku. Ponadto szacuje się, że ryzyko u pacjentów z innymi schorzeniami, takimi jak udar, jest znacznie niższe. W rzeczywistości lewodopę stosowano w licznych badaniach skupiających się na powrocie do zdrowia motorycznego u osób po udarze, bez żadnych doniesień o dyskinezach ani innych mniejszych lub większych skutkach ubocznych. Z literatury wynika, że ​​jest mało prawdopodobne, aby leczenie lewodopą osób po udarze spowodowało dyskinezę wywołaną lewodopą, chyba że współistnieje uszkodzenie zwojów podstawy mózgu lub choroba Parkinsona.

Podstawą funkcjonowania BCI jest przełożenie aktywności neuronowej zarejestrowanej bezpośrednio od pacjenta na informację zwrotną w czasie rzeczywistym w celu wytrenowania spójnych wzorców aktywacji mózgu powiązanych z określonymi stanami psychicznymi. Aktywność neuronową można wykryć metodami inwazyjnymi (ECoG/iEEG) lub nieinwazyjnymi (EEG, MEG, fMRI w czasie rzeczywistym lub NIRS). W większości badań stosuje się nieinwazyjne BCI oparte na EEG, ponieważ są one stosunkowo łatwe i szybkie w użyciu oraz mają dobre właściwości czasowe i przestrzenne, dzięki czemu można je bezpiecznie i skutecznie stosować w celu uzyskania korzyści funkcjonalnych u osób po udarze z utrzymującymi się deficytami motorycznymi i mogą zwiększają skuteczność terapii równoległych lub skojarzonych, nawet po osiągnięciu plateau funkcjonalnego przy stosowaniu tradycyjnych terapii.

Obecnie większość BCI, których celem jest przywrócenie funkcji motorycznych, opiera się na obrazowaniu motorycznym (MI). Takie systemy nie opierają się na rzeczywistych ruchach, ale raczej wykorzystują mentalny proces wyobrażania sobie ruchu. Głównym powodem jest to, że zawał mięśnia sercowego prowadzi do aktywacji tych samych obszarów mózgu, które odpowiadają za rzeczywisty ruch. Problemy, które pojawiają się w przypadku wyobrażeń motorycznych bez sprzężenia zwrotnego, to brak kontroli nad aktywnością, a także brak motywacji. Za pomocą BCI można mierzyć obrazy motoryczne w czasie rzeczywistym, co umożliwia przekazywanie pacjentowi informacji zwrotnej w czasie rzeczywistym. Co więcej, połączenie urządzeń BCI z funkcjonalną stymulacją elektryczną (FES) wyzwalaną przez MI umożliwia resynchronizację aktywacji korowej, aktywacji obwodowej i sprzężenia zwrotnego czuciowego. Oprócz tego niektóre badania przemawiają za włączeniem rzeczywistości wirtualnej w celu uzyskania natychmiastowej wizualnej informacji zwrotnej. Połączenie obserwacji akcji w oparciu o rzeczywistość wirtualną i informacji zwrotnych FES może zwiększyć poprawę funkcji motorycznych w miarę interakcji obiektów z awatarem wyświetlanym na ekranie w czasie rzeczywistym. W ten sposób możliwe jest zamknięcie obwodu: system wykrywa obrazy motoryczne, a do docelowego mięśnia przykładany jest FES, aby pomóc uczestnikowi w wykonaniu ruchu. W tym samym czasie awatar wykonuje dokładnie ten sam ruch (zsynchronizowany z FES), który jest wyświetlany na ekranie uczestnika w czasie rzeczywistym. Dlatego oprócz wykonywania ruchu fizycznego, który przyczynia się do powodzenia terapii, obszary kory czuciowej są również aktywowane synchronicznie z obrazami motorycznymi poprzez doprowadzające impulsy nerwowe. Prowadzi to do pobudzenia plastyczności Hebbiana, która stwierdza, że ​​neurony wielokrotnie pobudzane razem tworzą wspólne połączenia. Uważa się, że powoduje to plastyczność zależną od użytkowania i ułatwia przywrócenie funkcjonalności. Takie wzmocnienie połączeń centralno-peryferyjnych za pomocą uzupełniających technologii może potencjalnie poprawić regenerację funkcji motorycznych poprzez indukowaną plastyczność zależną od użytkowania i ułatwić powrót funkcjonalny po udarze.

Istnieją dowody na zmiany w aktywacji mózgu i łączności funkcjonalnej (FC) u pacjentów po udarze otrzymujących terapie rehabilitacyjne oparte na BCI. Mogą potencjalnie powodować wzrost FC między dolnym płatem ciemieniowym a dodatkowym obszarem motorycznym (SMA), a także między przednią korą obręczy a SMA, dodatnio skorelowany ze wzrostem punktacji Fugl-Meyera. Ponadto zaobserwowano wzrost FC pomiędzy wzgórzem ipsilesional a przeciwległym zakrętem obręczy, przeciwległym płatkiem przyśrodkowym i obustronnym przedklinem.